Чому регулятори перемикання долара (пониження) потребують індуктора та діода?

Отже, я розумію, принаймні на базовому рівні, спосіб роботи комутаційних перетворювачів, як долар, так і прискорений. Однак, що мене спантеличує, це те, що, зокрема, перетворювачі доларів не є простими.

Чому б не побудувати перетворювач долара як перемикач, який заряджає конденсатор, при цьому перемикач керується компаратором, порівнюючи вихідну напругу з еталонною? Хіба це не було б набагато простіше, дозволить вам замість індуктора використовувати більш легкий і дешевий доступний конденсатор і повністю пропустити діод?

Перетворювачі Buck такі ж прості, як і прискорювальні перетворювачі. Насправді вони є точно такою ж схемою, щойно бачились назад, якщо ми маємо свободу вибирати, який перемикач (з двох) буде працювати керованим вимикачем (або обидва, якщо це синхронний перетворювач).

Що стосується другого пункту, якщо ви це зробили, ви мали б збитки. Більше, ніж з регульованим регулятором на основі індуктора, і набагато набагато більше, ніж з лінійним регулятором. Кожного разу, коли ви підключаєте джерело напруги до конденсатора, початкова напруга якого не збігається з джерелом напруги, ви неминуче витрачаєте енергію. Навіть якщо ви не бачите явного резистора, в реальному житті він є, і (що цікаво), яким би малим він не був, він витратить стільки ж енергії. Дивіться тут .

Як ви кажете, зарядні насоси працюють, але вони менш ефективні, ніж регулятори з комутованою обмоткою.

Отже, це виправдання для - мабуть, непотрібної - додає складності регуляторів на комутувальній основі на індукторі.

Докладніше : Щоб спробувати дати вам інтуїцію, чому існують перетворювачі бак і підсилювачів, дивіться цю фігуру.

Якщо ви спробуєте перемістити енергію між двома джерелами напруги, які не однакові, або між двома джерелами струму, які не схожі, у вас будуть неминучі втрати. З іншого боку, ви можете перемістити енергію (і навіть робити деякі напруги або струму масштабування по шляху) без будь - яких втрати, якщо ви підключите джерело напруги до джерела струму. Пасивний фізичний елемент, що нагадує найбільш джерело струму, - це індуктор. Ось чому існують регульовані регулятори на основі індукторів.

Зарядні насоси були б у лівій колонці. Їх теоретичний максимальний ККД нижче 100% (фактичний ККД залежить від різниці напруг та ємностей). Регулятори на основі індукторів перебувають у правій колонці. Їх теоретична максимальна ефективність становить 100% (!).

Проблема з тим, що ви описуєте, є поточною. У перетворювачі долара ви можете отримати в середньому 10A на лише 5A в, тому що інші 5A досягають виходу через діод. А діод упереджений лише через індуктивний удар. Без індуктора та діода є лише один шлях струму, що надходить до виходу, і це прямо поза входом. При цій топології, якщо ваш середній вихідний струм становить 10А, ваш середній вхідний струм також повинен бути 10А. І якщо ви втрачаєте напругу від входу до виходу, а струм залишається колишнім, втрачена енергія розсіюється як тепло. Це перешкоджає використанню в першу чергу регулятора комутації замість лінійного регулятора.

Крім того, якщо взяти два ковпачки при різній напрузі і просто закрити перемикач між ними, миттєвий струм буде дуже-дуже великим. Моделюйте кожен ковпачок як джерело Thevenin - це ідеальне джерело напруги з послідовним опором. Опір шляху між двома ідеальними джерелами буде опір ввімкнення комутаційного пристрою плюс коефіцієнт ШОЕ обох ковпачків. ШОЕ ковпачків, ймовірно, буде порядку 1 мОм, якщо не набагато менше. Державний опір транзистора може змінюватися, але, ймовірно, не більше 100 мОм. Отже, якщо у вас різниця між входом і виходом у 10 В, то миттєвий струм вводу / вимикача при включенні вимикача становитиме щонайменше 100А і, можливо, досягає тисяч ампер.

Звичайно, ви будете мати такі шипи кожен раз так часто, залежно від вихідного навантаження та герметичності вашого циклу порівняння. Решту часу ваш струм введення / перемикання дорівнює нулю. Таким чином, ви можете підтягувати середню величину 1A, але те, що бачить вхід, - це 1000А шипів на 1,1% робочого циклу. Регулярні великі струмові сплески, подібні до цього, стануть належними проблемами; струм такої хвилі RMS в кінцевому підсумку є щось на зразок 18x середнього струму! Вони також потребують перемикача, що не насичує високі миттєві струми. Нічого не сказати про електромагнітний шум, який би влаштував цей апарат!

Краще залишити транзистор в аналоговому режимі і просто відрегулювати його напругу на затворі, щоб опір джерела зливу утримувало вихідний ковпак при бажаній напрузі. А там у вас лінійний регулятор.

Нік - Я в основному залишу дискусію про перетворювач індуктора іншим, і я звернуся до:

Чому б не побудувати перетворювач долара як перемикач, який заряджає конденсатор, при цьому перемикач керується компаратором, порівнюючи вихідну напругу з еталонною? Хіба це не було б набагато простіше, дозволить вам замість індуктора використовувати більш легкий і дешевий доступний конденсатор і повністю пропустити діод?

За допомогою ДУЖЕ спеціальних методів можна виготовити конденсаторні перетворювачі, які ефективно перетворюють енергію з одного рівня напруги на інший. АЛЕ спрощені методи погано виходять з ладу. Одноступеневий конденсатор конденсатора, який наполовину напружує, скидаючи заряд з одного конденсатора в інший з однаковою ємністю, має теоретичну ефективність 50%, а практичну - не більше теоретичної та, мабуть, меншої. Це пояснюється простим застосуванням «законів фізики». Невдача реальність полягає в тому, що вимоги для досягнення кращої ефективності набагато легше виконуються з індукторним базовим перетворювачем, ніж з конденсатором на основі.

Спробуйте цей простий мислительний експеримент.
Візьміть два конденсатори С1 і С2 рівної ємності.
Заряджайте C1, щоб сказати 10В.
Основна формула, що стосується заряду і ємності - V = kQ / C,
де V - напруга конденсатора, k - константа, Q - заряд і C = ємність. Тепер підключіть С2 до С1.
Заряд в C1 тепер буде розподілений порівну між C1 та C2.
Тож напруга на кожному конденсаторі становить 5 В - або тому, що заряд на кожному наполовину оригінальний, або тому, що ємність збільшилася вдвічі - 2 способи дивитися на одне і те ж.

Все йде нормально.

АЛЕ енергія в конденсаторі становить 0,5 х C x V ^ 2.

Спочатку вище E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C одиниць енергії.
Після об'єднання двох конденсаторів енергія на ковпачок = 0,5 x C x 5 ^ 2 або для двох шапок
енергія = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Одиниці енергії.
О Боже ! :-(.
Просто комбінуючи два конденсатори та діливши їх заряд, ми ВДАЄТЬСЯ наявну енергію!
Половина енергії втрачена в процесі!
Цей, мабуть, химерний і незрозумілий факт пов'язаний з резистивними втратами енергії під час передачі. НАЙКРАЩЕ ми втрачаємо половину енергії, якщо напруга зменшується вдвічі. Мінімальний результат втраченої енергії такий самий, чи використовуємо ми велике значення опору для передачі енергії або дуже низький опір, наприклад шматок дроту - невелику частку Ом. В останньому випадку ми отримуємо надзвичайно високі струми.

"Очевидним" рішенням є "стояти конденсатори один на одного", щоб зарядити їх і розмістити паралельно, щоб розрядити їх. Це працює! За один цикл. Теоретична ефективність = 100%. Для цього на практиці в цьому випадку потрібно щонайменше 2 x перемикачі перемикання складності та втрат, і це працює лише за співвідношення 2: 1. Гірше, якщо ми зменшимо напругу ковпачка з навантаженням, тому його потрібно повторно змінити на наступний цикл, ми виявимо, що перезарядка має ті ж резистивні втрати, що і раніше. Ми отримуємо 100% теоретичну ефективність лише в тому випадку, якщо ми не витрачаємо потужність :-(
Різним рішенням є зменшення напруги конденсатора лише на дуже малу кількість і заряджання лише невеликою кількістю. Якщо ми це зробимо, ефективність може бути близькою до 100%, але нам потрібні великі ковпачки на струм навантаження (оскільки більшість потужностей використовується для постійного збереження напруги), і у нас залишається лише коефіцієнт перетворення 2: 1. Інші співвідношення можна досягти, але це дратує, складне і дороге, і мало переваг у порівнянні з використанням індукторів у більшості випадків. Деякі дуже спеціалізовані перетворювачі працюють таким чином, але вони рідкісні. І ви можете купувати інтелектуальні перетворювачі вгору або вниз з кількома фіксованими співвідношеннями, такими як 2: 1, 3: 1, 4: 1, але вони, як правило, низької потужності; багато в чому до індукторного перетворювача.

Ось чому ви зазвичай бачите хороший простий, дешевий простий перетворювач долара, який використовується для зменшення напруги. Фактичний перетворювач використовує перемикач 1 x L, 1 x D, 1 x (MOSFET або інше), а решта - це "клей" або вдосконалення. Контролер також може бути дуже простим.

Підтримувати постійну напругу конденсатора було б неможливо. Кожен раз, коли ви закриваєте перемикач, ви скидаєте на нього напругу (яка напруга?), І напруга піднімається внаслідок високого піку струму. Конденсатор теж не сподобався б. І ти будеш втратите багато енергії при перемиканні.

У комутаторі котушка робить так, що струм, що заряджає конденсатор, плавно піднімається і що в середньому слід за струмом навантаження. Діод необхідний для того, коли вимикач відкриється. У цей момент котушка створила магнітне поле, енергія якого кудись повинна йти. Діод закриває петлю, що дозволяє струму котушки залишатися поточним.

Завдяки більш вдосконаленим комутаційним пристроям перетворювачі доларів набагато простіше побудувати в наші дні, ніж може запропонувати їх теорія роботи. І вони можуть досягти до 95% ефективності, що просто вмикати і вимикати конденсатор ніколи не може.

Найпростіший спосіб зрозуміти необхідність діода - це подумати про те, скільки разів електрони можуть пройти через навантаження щоразу, коли вони проходять через живлення. Якщо діода немає, то кожен електрон, який проходить через навантаження, повинен знову повернутися через живлення, перш ніж він зможе переглянути навантаження. Додавання діода дає можливість деяким електронам відвідувати навантаження, пройти через діод і знову відвідати вантаж без необхідності повертатися назад через живлення. Котушка необхідна, тому що без неї електрони, які проходять через навантаження і дістаються до діода, не матимуть достатньо енергії, щоб пройти через діод і знову відвідати навантаження. Котушка поглинає надлишкову енергію від електронів, які надходять свіжими від подачі, а потім подає її до рециркульованих електронів.

Ви можете знизити напругу постійного струму зі співвідношенням резистора, одне в серії, Rs і резистор, RL і навантаження в манері до загального, але ви знаєте, що його неефективно при втратах потужності = V * I в серії Rs.

ВИ можете відмовитися від коефіцієнта резистора (як ви запропонували), і тоді опір серії - це функція робочого циклу та перемикання ефективного опору серії (ESR),

отже, Rs = ESR / T {де T - час ВКЛ / час циклу для T = 0 до 1}

Тепер вашому навантаженню потрібна ємність для стабільної напруги і, можливо, активна стабілітра, і в резисторі серії все одно будуть втрати. Розглянемо співвідношення 10: 1, тоді струм на 10 разів більший, але в 1/10-й час, тому P = V * I * T, втрати потужності такі ж, як і лінійний регулятор. Мати сенс?

Індуктор забезпечує постійний струм при зниженні напруги. Оскільки струм значною мірою реагує і перебуває поза фазою для синхронізованого сигналу змінного струму як пристрою, що зменшується, він набагато ефективніший. Мати сенс? Зробивши реактивний опір набагато нижчим, ніж навантаження, ви можете стати ще ефективнішими. Це означає збільшення швидкості комутації та значення індуктивності. Але насичення феритом досягає практичної межі струму, і дуже важливо їхати з феритом із повітрям для набагато більших струмів.